CN112729653A - 圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其包括：上部轴向承力接头、上部支撑套筒、轴向力检测元件、上部支撑板、弯矩检测元件固定体、弯矩检测元件、解耦球杆、球杆固定元件、下部支撑套筒、下部承力接头和螺纹杆。本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和轴向力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；应用在机床、生物以及医学领域，可大大减少传感器输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

Description

圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器

技术领域

本发明涉及一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

传感器通常由敏感元件和弹性元件组成。多维力传感器是一种可以同时检测三个方向及以上力和力矩信息的测力传感器，广泛应用于机器人、工业制造、医疗卫生以及生物工程等领域。

现阶段的二维乃至多维力传感器主要分为电阻应变式、压电式、电容式力传感器，其结构简单、灵敏且精度较高。传感器的构造是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装应变敏感元件。当力作用在传感器上时，传感器内的弹性元件发生变形，同时安装在其上面的应变敏感元件也发生变形，应变敏感元件的阻值随之变化，接着由变换电路将阻值变化变换成电压变化输出，由此可以根据电压变化量来确定力的大小。

但是就现有的技术而言，对于当传感器同时承受扭转应力、弯曲应力以及轴向应力的情况时，现在的解决方法往往是通过将应变片组成桥路进行补偿以及解耦，在机械结构上并不具备实现扭转应力、弯曲应力以及轴向应力的解耦能力。

现有二维/多维传感器，由于其本身的结构特性，要求必须使用导线实时监测电压变化，即使使用无线电进行信息传递，但是其电池所含容量有限，故无法实现无线无源的长期动态监测信号变化。

发明内容

本发明目的是一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其解决了上述技术问题中的至少一个。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其包括：上部轴向承力接头、上部支撑套筒、轴向力检测元件、上部支撑板、弯矩检测元件固定体、弯矩检测元件、解耦球杆、球杆固定元件、下部支撑套筒、下部承力接头和螺纹杆；

所述轴向力检测元件的上端固定于所述上部轴向承力接头；所述轴向力检测元件的下端固定于所述上部支撑板；所述上部支撑板通过螺纹杆以及螺母和所述弯矩检测元件固定体固定；所述轴向力检测元件上粘贴有磁致伸缩材料；

所述上部支撑套筒的下端固定于所述上部支撑板，并且所述上部支撑套筒与所述上部轴向承力接头之间间隔设置；

所述弯矩检测元件固定于所述球杆固定元件，所述弯矩检测元件的上端与所述弯矩检测元件固定体存在一预设间隙；

所述球杆固定元件上形成有球窝，所述球窝的开口向下设置，所述解耦球杆的下端形成为球头，所述解耦球杆的球头设置于所述球窝内，所述解耦球杆的上端形成为螺纹段，所述解耦球杆的螺纹段穿过所述球杆固定元件和弯矩检测元件，固定于所述弯矩检测元件固定体；

在所述螺纹杆上设置有上固定件和下固定件，其中，所述球杆固定元件、下部支撑套筒和下部承力接头设置于所述上固定件和下固定件之间，并通过所述上固定件和下固定件限制所述球杆固定元件、下部支撑套筒和下部承力接头沿所述螺纹杆的轴向的运动；

所述下部承力接头、下部支撑套筒以及球杆固定元件所存在的通孔直径都较螺纹杆直径大；

所述解耦球杆的下端与所述下部承力接头接触，以通过所述球杆固定元件以及所述下部承力接头共同将解耦球杆限制在所述下部支撑套筒的内部。

可选的，所述上部轴向承力接头下侧形成为下凸块，所述下凸块形成有螺柱，所述轴向力检测元件的上端开设有螺纹孔，并且通过将所述螺柱拧入所述螺纹孔的方式，将上部轴向承力接头和轴向力检测元件相固定。

可选的，所述上部轴向承力接头上侧存在上凸块，所述上凸块形状为圆柱状。

可选的，所述螺纹杆上设置有上螺母和下螺母，其中，所述上螺母与所述上部支撑板接触，所述下螺母与所述弯矩检测元件固定体接触，从而通过上螺母和下螺母将所述上部支撑板和所述弯矩检测元件固定体相固定。

可选的，所述上部支撑板的厚度比所述弯矩检测元件固定体的厚度大。

可选的，所述上部轴向承力接头开设有4个通孔，在所述上部轴向承力接头的通孔中可滑动地设置有螺纹套，所述螺纹杆的上端拧入所述螺纹套内。

可选的，所述轴向力检测元件中部为薄壁部分，薄壁为轴向力检测区域，上面粘贴有磁致伸缩材料。

可选的，所述弯矩检测元件固定体的下部形成为圆柱部，用以挤压所述弯矩检测元件。

可选的，所述弯矩检测元件中间为薄壁，所述弯矩检测元件的薄壁粘贴有磁致伸缩材料。

可选的，所述下固定件为带孔铜珠，所述上固定件和下固定件之间的螺纹杆不设置螺纹。

本发明具有如下有益效果：本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和轴向力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；应用在机床、生物以及医学领域，可大大减少传感器输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

附图说明

图1是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器立体结构示意图。

图2是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器立体结构剖视图。

图3是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构零件拆解图。

图4是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的立体结构零件拆解剖视图。

图5是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的弯矩受力敏感区的立体结构图。

图6是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的弯曲力受力敏感区立体结构剖视图。

图7是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的轴向受力敏感区的立体结构图。

图8是本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的轴向受力敏感区的立体结构剖视图。

图中标记示意为：1-上部轴向承力接头；2-上部支撑套筒；3-轴向力检测元件；4-上部支撑板；5-弯矩检测元件固定体；6-弯矩检测元件；7-解耦球杆；8-球杆固定元件；9-下部支撑套筒；10-下部承力接头；11-带孔铜珠；12-螺纹杆。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，尤其是一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源力/力矩传感器，其包括上部轴向承力接头1、上部支撑套筒2、轴向力检测元件3、上部支撑板4、弯矩检测元件固定体5、弯矩检测元件6、解耦球杆7、球杆固定元件8、下部支撑套筒9、下部承力接头10和螺纹杆12。

所述上部轴向承力接头1下侧形成为下凸块，所述下凸块形成有螺柱，所述轴向力检测元件3的上端固定于所述上部轴向承力接头1，例如所述轴向力检测元件3的上端开设有螺纹孔，并且通过将所述螺柱拧入所述螺纹孔的方式，将上部轴向承力接头1和轴向力检测元件3相固定。

所述上部轴向承力接头1上侧存在上凸块，上凸块形状同样为圆柱状，以方便将上部轴向承力接头1固定于被测物体上。

所述上部支撑板4通过螺纹杆12以及螺母和所述弯矩检测元件固定体5固定，例如，所述螺纹杆12上设置有上螺母和下螺母，其中，所述上螺母与所述上部支撑板4接触，所述下螺母与所述弯矩检测元件固定体5接触，从而通过上螺母和下螺母将所述上部支撑板4和所述弯矩检测元件固定体5相固定。

所述轴向力检测元件3的下端固定于所述上部支撑板4，优选的，所述上部支撑板4的厚度比所述弯矩检测元件固定体5的厚度大，以便减少传感器尺寸以及增加传感器的整体刚度。

所述上部支撑套筒2的下端固定于所述上部支撑板4，并且所述上部支撑套筒2与所述上部轴向承力接头1之间间隔设置；以方便所述上部轴向承力接头1进行轴向移动。

所述上部轴向承力接头1开设有4个通孔，在所述通孔中可滑动地设置有螺纹套，所述螺纹杆12的上端拧入所述螺纹套内，以使得所述上部轴向承力接头1能够相对于所述上部支撑板4发生轴向运动。

本实施例中，所述上部支撑套筒2材料为亚克力材料，以减少电磁屏蔽，所述轴向力检测元件3中部为薄壁部分，薄壁为轴向力检测区域，上面粘贴有磁致伸缩材料。

所述弯矩检测元件固定体5的下部形成为圆柱部，用以挤压所述弯矩检测元件6，在所述圆柱部的中心沿轴向开设有螺纹孔，所述解耦球杆7的上部形成为螺纹段，由此使得所述解耦球杆7的螺纹段和所述弯矩检测元件固定体5的螺纹配合，将所述解耦球杆7的上端固定于所述弯矩检测元件固定体5。

所述弯矩检测元件6通过螺钉固定于所述球杆固定元件8，所述弯矩检测元件6的上端与所述弯矩检测元件固定体5存在一预设间隙，以通过该预设间隙减少轴向力与弯矩之间影响。

所述弯矩检测元件6中间为薄壁，薄壁为弯矩检测区域，上面粘贴有磁致伸缩材料。

所述球杆固定元件8上形成有球窝，所述球窝的开口向下设置，所述解耦球杆7的下端形成为球头，所述解耦球杆7的球头设置于所述球窝内，并所述解耦球杆7的螺纹段穿过所述球杆固定元件8，固定于所述弯矩检测元件固定体5。

本实施例中，在所述螺纹杆12上设置有上固定件和下固定件，其中，所述球杆固定元件8、下部支撑套筒9和下部承力接头10设置于所述上固定件和下固定件之间，并通过所述上固定件和下固定件限制所述球杆固定元件8、下部支撑套筒9和下部承力接头10沿所述螺纹杆12的轴向的运动。

其中，所述下固定件可以为带孔铜珠11，而且，所述上固定件和下固定件之间的螺纹杆12不设置螺纹，以方便下部轴向承力接头进行轴向移动。

更进一步，所述下部承力接头10、下部支撑套筒9以及球杆固定元件8所存在的通孔直径都较螺纹杆12直径大，也就是说，传感器下部整体较上部存在一定径向运动余量。

所述球杆固定元件8通孔存在倒角，而且通孔直径较螺纹杆12直径大，这就导致了上固定件仅仅限制了所述球杆固定元件8的轴向运动，而其在径向还存在了一定运动空间。

优选地，所述解耦球杆7的下端与所述下部承力接头10接触，以通过所述球杆固定元件8以及所述下部承力接头10共同将解耦球杆7限制在所述下部支撑套筒9的内部。

优选地，所述解耦球杆7与所述球杆固定元件8的接触表面应涂上润滑油，同时，所述解耦球杆7与所述下部承力接头10的接触表面同样应涂上润滑油，以方便在传感器受到弯矩时所述解耦球杆7与所述球杆固定元件8以及所述下部承力接头10的接触面之间发生相对滑动。

同时，由于所述解耦球杆7与所述弯矩检测元件固定体5之间为螺纹连接，所以在传感器受到轴向力时会发生解耦。

所述球杆固定元件8中心孔为通孔，其轴心与所述解耦球杆7轴心在一条直线上，同时其直径大于所述解耦球杆7下部杆直径。

所述下部支撑套筒9四周存在通孔，通孔外侧倒角，通过螺纹杆12以及带孔铜珠11与所述下部承力接头10相连接，需要注意的是，所述下部支撑套筒9外侧的通孔直径大于螺纹杆12的直径，以方便螺纹杆12与所述下部支撑套筒9的通孔内发生相对移动。

优选地，所述下部支撑套筒9材料为亚克力材料，以减少电磁屏蔽。所述下部支撑套筒9与所述球杆固定元件8以及所述解耦球杆7一同构成支撑，同时，这几种元件构成的支撑中间为镂空部分，为所述弯矩检测元件6留有一定空间。

所述下部承力接头10开设有四个通孔，所述下部承力接头10的通孔外侧倒角，通过带孔铜珠11以及螺纹杆12与所述弯矩检测元件固定体5相连接。

优选地，所述下部承力接头10的通孔直径要大于螺纹杆12的直径，从而为螺纹杆的运动提供一定余量，同时在所述下部承力接头10倒角与带孔铜珠11接触面之间应涂上润滑油，同样为了方便发生相对移动。

优选的，所述下部承力接头10与所述下部支撑套筒9之间通过螺纹杆12以及带孔铜珠11进行配合，中部支撑板通孔外侧存在倒角，方便与带孔铜珠之间发生相对运动。

当本实施例的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器在使用时，可以将其上端的上部轴向承力接头1固定于待测件，并且将下部承力接头10固定于待测件，由此，当在外部弯矩的作用下，上部轴向承力接头1发生径向移动时，能够在弯矩检测元件6上产生形变，并且同时，弯矩检测元件6上粘贴有磁致伸缩材料，即可以实现弯矩的检测。

而且，当在外部轴向力的作用下，上部轴向承力接头1发生轴向移动时，能够在轴向力检测元件3上产生形变，并且同时，弯矩检测元件6上粘贴有磁致伸缩材料，即可以实现弯矩的检测。

也就是说，本实施例中，所述上部轴向承力接头1为所述圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器的轴向力以及弯矩应力输入端。

当圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器受到耦合力时，弯矩分量通过所述上部轴向承力接头1输入，上部轴向承力接头1带动螺纹杆12、上部支撑套筒2、上部支撑板4、弯矩检测元件固定体5、轴向力检测元件3以及解耦球杆7一同发生径向移动，由于弯矩检测元件固定体5发生径向以及轴向的复合移动，就会挤压弯矩检测元件6，从而使其发生形变。

所述螺纹杆12在所述下部承力接头10、下部支撑套筒9以及球杆固定元件8中都存在一定运动余量，再结合所述解耦球杆7以及球杆固定元件8之间的圆弧配合，整体达到可以发生一定弯曲的目的。

在弯矩检测元件6表面覆盖磁致伸缩材料，耦合力中的弯矩分力就会在磁致伸缩材料上产生应力应变。在施加的激励磁场的作用下产生磁致伸缩逆效应(维拉里效应)，通过检测线圈检测其磁场变化。

本实施例的受力敏感区域可结合图2、图5和图6，可见所受弯矩并未对轴向力的力敏区域产生应力变化，即所述的轴向力检测元件3本身未发生形变。弯矩的传递路线为上部轴向承力接头1、螺纹杆12、上部支撑套筒2、下部支撑板4、弯矩检测元件固定体5、解耦球杆7、弯矩检测元件6、球杆固定元件8、下部支撑套筒9、下部承力接头10，弯矩到达所述下部承力接头10之后输出，在传感器下部，当所述下部承力接头10输入扭矩时，下部整体一同发生径向与轴向的复合移动，两个螺母以及所述下部支撑套筒9的存在令所述轴向力检测元件仅仅存在了一个轴向移动的自由度，所以当弯矩经过时不会对轴向力检测元件以及扭矩检测元件产生影响。

当圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器受到耦合力时，轴向力分量通过所述上部轴向承力接头1输入，直接作用在所述轴向力检测元件3上，由于所述上部轴向承力接头1与所述上部支撑套筒2之间存在一定余量，故所述上部轴向承力接头1可以实现带动所述轴向力检测元件3发生一定正反方向的沿着轴向力方向的位移，同时，螺纹杆12与上部轴向承力接头1之间并没有螺纹固定，所以在施加轴向力时并不会影响到螺纹杆12所穿过的结构。在轴向力检测元件3表面覆盖磁致伸缩材料，耦合力中的轴向力分力就会在磁致伸缩材料上产生应力应变。在施加的激励磁场的作用下产生磁致伸缩逆效应(维拉里效应)，通过检测线圈检测其磁场变化。

本实施例的受力敏感区域可结合图2、图7和图8，可见所受轴向力并未弯曲力的力敏区域产生应力变化，即所述弯矩检测元件6本身未发生形变。压力的传递路线为上部轴向承力接头1、轴向力检测元件3、上部支撑板4、弯矩检测元件固定体5、解耦球杆7、下部承力接头10，到达所述下部承力接头10输出。

拉力的传递路线为上部轴向承力接头1、轴向力检测元件3、上部支撑板4、弯矩检测元件固定体5、解耦球杆7、球杆固定元件8、螺母、下部支撑套筒9、下部承力接头10，到达所述下部承力接头10输出。当传感器受到轴向力时，由于所述弯矩检测元件固定体5与所述解耦球杆7之间为螺纹连接，故轴向力会直接传递到所述解耦球杆7，故不会对所述弯矩检测元件6产生影响。

当圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器受到耦合力时，所述弯矩检测元件固定体5、上部支撑板4、螺纹杆12以及上部支撑套筒2所组合而成的紧密配合相当于一个元件，同时由于所述弯矩检测元件为环形结构，其要求的变形为挤压变形，故当传感器输入除弯矩之外的分量时，不会发生形变，这就完成了弯矩和轴向力解耦；当圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器受到耦合力时，所述弯矩检测元件固定体5与所述解耦球杆7为螺纹连接，故传递轴向力时会有限走这条线路，故当传感器输入除轴向力之外的分量时，不会发生形变，这就完成了轴向力和弯矩的解耦。

本发明的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，能够同时检测出耦合力中的弯曲力分量和轴向力分量，即对耦合力进行结构解耦；而且不需要连入供电线路或通过有线接口采集数据；应用在机床、生物以及医学领域，可大大减少传感器输出数据时需要繁多的有线传输的问题，也大大促进了信息传递的简易性。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，包括：上部轴向承力接头、上部支撑套筒、轴向力检测元件、上部支撑板、弯矩检测元件固定体、弯矩检测元件、解耦球杆、球杆固定元件、下部支撑套筒、下部承力接头和螺纹杆；

所述轴向力检测元件的上端固定于所述上部轴向承力接头；所述轴向力检测元件的下端固定于所述上部支撑板；所述上部支撑板通过螺纹杆以及螺母和所述弯矩检测元件固定体固定；所述轴向力检测元件上粘贴有磁致伸缩材料；

所述上部支撑套筒的下端固定于所述上部支撑板，并且所述上部支撑套筒与所述上部轴向承力接头之间间隔设置；

所述弯矩检测元件固定于所述球杆固定元件，所述弯矩检测元件的上端与所述弯矩检测元件固定体存在一预设间隙。

所述球杆固定元件上形成有球窝，所述球窝的开口向下设置，所述解耦球杆的下端形成为球头，所述解耦球杆的球头设置于所述球窝内，所述解耦球杆的上端形成为螺纹段，所述解耦球杆的螺纹段穿过所述球杆固定元件和弯矩检测元件，固定于所述弯矩检测元件固定体；

在所述螺纹杆上设置有上固定件和下固定件，其中，所述球杆固定元件、下部支撑套筒和下部承力接头设置于所述上固定件和下固定件之间，并通过所述上固定件和下固定件限制所述球杆固定元件、下部支撑套筒和下部承力接头沿所述螺纹杆的轴向的运动；

所述下部承力接头、下部支撑套筒以及球杆固定元件所存在的通孔直径都较螺纹杆直径大；

所述解耦球杆的下端与所述下部承力接头接触，以通过所述球杆固定元件以及所述下部承力接头共同将解耦球杆限制在所述下部支撑套筒的内部。

2.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述上部轴向承力接头下侧形成为下凸块，所述下凸块形成有螺柱，所述轴向力检测元件的上端开设有螺纹孔，并且通过将所述螺柱拧入所述螺纹孔的方式，将上部轴向承力接头和轴向力检测元件相固定。

3.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述上部轴向承力接头上侧存在上凸块，所述上凸块形状为圆柱状。

4.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述螺纹杆上设置有上螺母和下螺母，其中，所述上螺母与所述上部支撑板接触，所述下螺母与所述弯矩检测元件固定体接触，从而通过上螺母和下螺母将所述上部支撑板和所述弯矩检测元件固定体相固定。

5.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述上部支撑板的厚度比所述弯矩检测元件固定体的厚度大。

6.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述上部轴向承力接头开设有4个通孔，在所述上部轴向承力接头的通孔中可滑动地设置有螺纹套，所述螺纹杆的上端拧入所述螺纹套内。

7.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述轴向力检测元件中部为薄壁部分，薄壁为轴向力检测区域，上面粘贴有磁致伸缩材料。

8.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩检测元件固定体的下部形成为圆柱部，用以挤压所述弯矩检测元件。

9.根据权利要求1所述的圆槽球杆式维间解耦二维无线无源传感器，其特征在于，所述弯矩检测元件中间为薄壁，所述弯矩检测元件的薄壁粘贴有磁致伸缩材料。

10.根据权利要求1所述的圆槽球杆式无线无源传感器，其特征在于，所述下固定件为带孔铜珠，所述上固定件和下固定件之间的螺纹杆不设置螺纹。

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